主要ADC采样技术简介SAR ADC原理介绍

大家好 欢迎大家参加TI工业研讨会

我是TI Century FAE Igor An

主要负责数字电源和 电极控制相关算法开发

今天我将为大家介绍 TI在电压电流采样相关的技术

主要是电压电流采样中的 所应用的ADC不同种类

以及不同ADC实现方式的相关细节

我将分为下面五个部分

给大家进行介绍 第一

简单介绍当前主流的ADC实现技术

以及相关技术的各自特点

第二详细介绍SAR ADC的基本原理

和基本实现方式

那当然是从我们半导体级别的这种

介绍实现方式开始

第三 是Delta Sigma的基本实现方式

第四是SAR ADC和 Delta Sigma ADC 的一个比较

第五是所有的ADC的相关的模拟前端

如何设计

那我们是想通过这样 简单的一个介绍呢

让大家了解不同ADC在半导体级

它的具体实现方式

来让大家结合自己的项目需求

更好的采用不同种类的ADC采样

来实现自己的系统性能指标

同时 我们更加了解了 ADC在半导体内部的

这种实现方式和结构 以便于

我们更好的设计自己的模拟前端

来使ADC达到一个更优良的性能

首先给大家简单介绍一下 ADC的不同种类

当前在工业界经常用的ADC

主要的还是我们的这个SAR ADC

全称是 Successive Approximation Register

还有近些年 刚出来的Delta Sigma ADC

还有Pipeline

这张图比较 清晰的展示了不同的ADC技术

在这个采样速率和分辨率

就是这个ADE的位数的大概的关系

我们可以看到常用的 SAR ADC从技术本身

来看 它的采样范围 大概是从1K 到几兆

到五六兆的级别 它的位数

最高是18位 不到20位的情况

对于Delta Sigma 我们可以看到 分辨率大幅提高 最高可以达到32位的

它的采样速率也比SAR ADC有了提高 最高可以达到10兆

对于Pipeline 这种ADC呢 我们工业界用得比较少

尤其是电机控制和 数字电源里面用的比较少

它主要是高速的AD采样

但它的分辨率相对不会太高

最高也就做到16位

但它的最高采样速率可以达到1G

那对于SAR ADC来讲呢 主要的优点

就是采样延时时间是最短的

然后反应速率和精度都还不错

但主要的问题是 最高采样速率也就是是2兆到5兆

不会太高 因为我们知道 SAR ADC实际上就是我们

其实是我们最熟悉的 尤其是在 电机控制和数字电源里面

最熟悉的就是用一个[听不清]

采样保持单元 去把一个连续信号进行数字化 离散化

的一个AD采样单元

而对于Delta Sigma这种ADC呢

它的主要特点就是分辨率是最高的

几乎可以达到32位

信噪比比较好 低噪声

高可靠性 就是说它的 传输距离可以稍微远一点

整个消耗的电能也比较少

它的主要的问题呢 这其实是 相比于SAR ADC 和其他ADC的技术

就是它有一个 Cycle-Latency，就是延时

这个延时其实可以做的非常短

是基于我们使用者的应用配置

那其实是可以非常短的

Pipeline ADC 最大的特点就是它的高速

高带宽 缺点就是分辨率

做不了太高

这里是给 大家列出来TI的几个独立芯片

就是ADC的独立芯片

可供大家选择 这几个系列了

对于SAR ADC 我们有ADS7系列和ADS8系列

两种芯片 就是外挂的这种ADC芯片

它的采样速率和 分辨率我们都列在这里

有一系列型号可供大家选择

Delta Sigma 这一系列的采样芯片

可供大家选择

Pipeline 我们目前暂时是没有的

那下面给大家着重介绍一下 SAR ADC的基本实现方式

那SAC ADC其实是 我们最熟悉的 使用这种采样保持器

来离散化和采样的方式

我们把一个模拟信号 用一个连接保持器

或者采样保持器保持进来以后

我如何把一个 电压值变成一个数字化的量

那这里的演示就是 向大家展示 在芯片内部

我们假设在蓝色框里面是 我们半导体内部的AD单元

那这个AD单元 当我已经得到了一个外界的电压

就是我采样保持这个环境已经结束了

我如何把这个电压 变成一个数字化的量

那这个就是我们基本原理的演示

首先 假设这个问号 就是外接的实际电压

我采集进来的时候 我数字端是不知道它到底有多大的

那这里我们用一种常识的方式

第一个呢 我们先放一个最高位的

这个取决于您的AD到底有多少位

我先放一个最高位的 因为

我们知道对于数字 每一位只能是0或者1

只能有两种选择 最高位我放了1以后

如果我的天平还没有 被我的数字端压沉的话

那说明我实际的电压比最高位还大了

我还要继续放我的砝码

我放了后面一位的砝码之后

就是最高位次一位的砝码

我放上1以后发现 我的数字天平被它压过来了

那说明我的最高位加 次高位的值已经大于

它的实际电压值 那我次高位放1就不合适了

我次高位就要放成0

那我只能次高位放成0

然后再我放一个再下一位的

如果恰好平衡 或者满足我平衡的误差条件

那我认为这就是我要得到的数字量

那就是101

那这个演示就是告诉大家

我们的SAR ADC把 模拟量变成数字量 在半导体内部的

一个工作原理

那SAR ADC呢 我们之前也提到了

它其实是包含两部分

或者是有两个步骤来实现采样

那这两个步骤呢 其实我们可以简化看做是两个开关

第一个S1 S2

第一个S1就是我们 经常提到的采样保持环节

我先用S1闭合 把电压引进来

将我内部的阻容沿着这个电容进行

充电而得到

外面通电压相等的这个电压值

那这个时候 我去保持的这个时候

我的S2的电路是打开的

当我的连接保持器的电容

电压已经稳定了 我把这个S1打开

再把S2闭合

然后进行刚才一样的天平

称重尝试 去把模拟量

变成一个多位的数字量的表示

这两个步骤完全结束以后

整个ADC的结果就出来了

就是我把一个模拟量 已经离散为一个数字量来表示

那整个保持的环节 还是一个模拟的关系

我们知道 模拟关系 闭合的时候就会有一个上升的时间

这个上升的时间是取决于 我的这个阻容参数的

当然对于我们这个ADC芯片

内部的ADC的阻容环节

它的时间常数是非常小的

这是它的一个计算公式

基本上这是一个非常迅速的环节

这张图我们就可以看到一个

实际的模拟量

它一点一点一点逼近

用我的数字量来逼近模拟量

最终得到一个数字化的表达

好 SAR ADC的基本原理 我就给大家介绍到这里

欢迎大家继续关注后续的章节

大家好 欢迎大家参加TI工业研讨会

我是TI Century FAE Igor An

主要负责数字电源和 电极控制相关算法开发

今天我将为大家介绍 TI在电压电流采样相关的技术

主要是电压电流采样中的 所应用的ADC不同种类

以及不同ADC实现方式的相关细节

我将分为下面五个部分

给大家进行介绍 第一

简单介绍当前主流的ADC实现技术

以及相关技术的各自特点

第二详细介绍SAR ADC的基本原理

和基本实现方式

那当然是从我们半导体级别的这种

介绍实现方式开始

第三 是Delta Sigma的基本实现方式

第四是SAR ADC和 Delta Sigma ADC 的一个比较

第五是所有的ADC的相关的模拟前端

如何设计

那我们是想通过这样 简单的一个介绍呢

让大家了解不同ADC在半导体级

它的具体实现方式

来让大家结合自己的项目需求

更好的采用不同种类的ADC采样

来实现自己的系统性能指标

同时 我们更加了解了 ADC在半导体内部的

这种实现方式和结构 以便于

我们更好的设计自己的模拟前端

来使ADC达到一个更优良的性能

首先给大家简单介绍一下 ADC的不同种类

当前在工业界经常用的ADC

主要的还是我们的这个SAR ADC

全称是 Successive Approximation Register

还有近些年 刚出来的Delta Sigma ADC

还有Pipeline

这张图比较 清晰的展示了不同的ADC技术

在这个采样速率和分辨率

就是这个ADE的位数的大概的关系

我们可以看到常用的 SAR ADC从技术本身

来看 它的采样范围 大概是从1K 到几兆

到五六兆的级别 它的位数

最高是18位 不到20位的情况

对于Delta Sigma 我们可以看到 分辨率大幅提高 最高可以达到32位的

它的采样速率也比SAR ADC有了提高 最高可以达到10兆

对于Pipeline 这种ADC呢 我们工业界用得比较少

尤其是电机控制和 数字电源里面用的比较少

它主要是高速的AD采样

但它的分辨率相对不会太高

最高也就做到16位

但它的最高采样速率可以达到1G

那对于SAR ADC来讲呢 主要的优点

就是采样延时时间是最短的

然后反应速率和精度都还不错

但主要的问题是 最高采样速率也就是是2兆到5兆

不会太高 因为我们知道 SAR ADC实际上就是我们

其实是我们最熟悉的 尤其是在 电机控制和数字电源里面

最熟悉的就是用一个[听不清]

采样保持单元 去把一个连续信号进行数字化 离散化

的一个AD采样单元

而对于Delta Sigma这种ADC呢

它的主要特点就是分辨率是最高的

几乎可以达到32位

信噪比比较好 低噪声

高可靠性 就是说它的 传输距离可以稍微远一点

整个消耗的电能也比较少

它的主要的问题呢 这其实是 相比于SAR ADC 和其他ADC的技术

就是它有一个 Cycle-Latency，就是延时

这个延时其实可以做的非常短

是基于我们使用者的应用配置

那其实是可以非常短的

Pipeline ADC 最大的特点就是它的高速

高带宽 缺点就是分辨率

做不了太高

这里是给 大家列出来TI的几个独立芯片

就是ADC的独立芯片

可供大家选择 这几个系列了

对于SAR ADC 我们有ADS7系列和ADS8系列

两种芯片 就是外挂的这种ADC芯片

它的采样速率和 分辨率我们都列在这里

有一系列型号可供大家选择

Delta Sigma 这一系列的采样芯片

可供大家选择

Pipeline 我们目前暂时是没有的

那下面给大家着重介绍一下 SAR ADC的基本实现方式

那SAC ADC其实是 我们最熟悉的 使用这种采样保持器

来离散化和采样的方式

我们把一个模拟信号 用一个连接保持器

或者采样保持器保持进来以后

我如何把一个 电压值变成一个数字化的量

那这里的演示就是 向大家展示 在芯片内部

我们假设在蓝色框里面是 我们半导体内部的AD单元

那这个AD单元 当我已经得到了一个外界的电压

就是我采样保持这个环境已经结束了

我如何把这个电压 变成一个数字化的量

那这个就是我们基本原理的演示

首先 假设这个问号 就是外接的实际电压

我采集进来的时候 我数字端是不知道它到底有多大的

那这里我们用一种常识的方式

第一个呢 我们先放一个最高位的

这个取决于您的AD到底有多少位

我先放一个最高位的 因为

我们知道对于数字 每一位只能是0或者1

只能有两种选择 最高位我放了1以后

如果我的天平还没有 被我的数字端压沉的话

那说明我实际的电压比最高位还大了

我还要继续放我的砝码

我放了后面一位的砝码之后

就是最高位次一位的砝码

我放上1以后发现 我的数字天平被它压过来了

那说明我的最高位加 次高位的值已经大于

它的实际电压值 那我次高位放1就不合适了

我次高位就要放成0

那我只能次高位放成0

然后再我放一个再下一位的

如果恰好平衡 或者满足我平衡的误差条件

那我认为这就是我要得到的数字量

那就是101

那这个演示就是告诉大家

我们的SAR ADC把 模拟量变成数字量 在半导体内部的

一个工作原理

那SAR ADC呢 我们之前也提到了

它其实是包含两部分

或者是有两个步骤来实现采样

那这两个步骤呢 其实我们可以简化看做是两个开关

第一个S1 S2

第一个S1就是我们 经常提到的采样保持环节

我先用S1闭合 把电压引进来

将我内部的阻容沿着这个电容进行

充电而得到

外面通电压相等的这个电压值

那这个时候 我去保持的这个时候

我的S2的电路是打开的

当我的连接保持器的电容

电压已经稳定了 我把这个S1打开

再把S2闭合

然后进行刚才一样的天平

称重尝试 去把模拟量

变成一个多位的数字量的表示

这两个步骤完全结束以后

整个ADC的结果就出来了

就是我把一个模拟量 已经离散为一个数字量来表示

那整个保持的环节 还是一个模拟的关系

我们知道 模拟关系 闭合的时候就会有一个上升的时间

这个上升的时间是取决于 我的这个阻容参数的

当然对于我们这个ADC芯片

内部的ADC的阻容环节

它的时间常数是非常小的

这是它的一个计算公式

基本上这是一个非常迅速的环节

这张图我们就可以看到一个

实际的模拟量

它一点一点一点逼近

用我的数字量来逼近模拟量

最终得到一个数字化的表达

好 SAR ADC的基本原理 我就给大家介绍到这里

欢迎大家继续关注后续的章节